55 regulação de tensão em fontes -Apostila do Senai Volume 55

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Sumário
Introdução	5
Regulação de tensão em fontes de alimentação	6
Circuitos reguladores	8
Regulação série com transistor	9
Princípio de funcionamento	9
Estabilização	10
Regulação	12
Diodo compensador	13
Dissipação de potência no regulador série	15
Encapsulamento	15
Dissipadores de calor	18
Montagem do transistor no dissipador	19
Otimização da transferência de calor	21
Apêndice	22
Questionário	22
Bibliografia	22
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 Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento
 pleno e sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho e a 
 cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação
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Introdução
	A partir da descoberta do transistor, sua utilização difundiu-se muito rapidamente. O grande número de vantagens que o transistor apresentava em relação à válvula fez que em muito pouco tempo aquele componente semicondutor fosse largamente utilizado na maioria dos circuitos eletrônicos.
	Uma aplicação importante do transistor refere-se ao seu uso na regulação de fontes de alimentação. Essa é uma técnica largamente utilizada na maioria dos circuitos eletrônicos em uso hoje em dia.
	Este fascículo tratará do princípio de funcionamento das fontes reguladas a transistor e também do uso de dissipadores de calor, visando a capacitar o leitor a utilizar, montar e reparar fontes reguladas a transistor.
 Para a boa compreensão do conteúdo e desenvolvimento das atividades contidas neste fascículo, o leitor deverá estar familiarizado com os conceitos relativos a:
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Filtros em fontes de alimentação.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Regulação de tensão a diodo Zener.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Transistor bipolar: relação entre parâmetros de circuito.
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Regulação de tensão em fontes de alimentação
	A necessidade de projetar e montar fontes reguladas de boa qualidade provém do fato de as fontes não reguladas nem sempre atenderem aos requisitos exigidos na maioria das aplicações. Existem fundamentalmente duas razões pelas quais as fontes não reguladas são inadequadas em certas aplicações:
Regulação pobre: Como resultado de uma regulação pobre, verifica-se uma variação na tensão de saída quando a carga é alterada. A influência de uma regulação pobre no desempenho de uma fonte cc pode ser observada através de dois gráficos: um correspondente a uma fonte ideal e o outro, a uma fonte real, conforme ilustrado na Fig.1.
Fig.1	Dependência da tensão de saída com a corrente de carga para uma fonte ideal e uma fonte real.
Estabilização pobre: Nas fontes não reguladas, a tensão de saída acompanha as variações na tensão de entrada, conforme ilustrado na Fig.2.
Fig.2	Redução na tensão de saída provocada por uma redução no nível de entrada.
	A finalidade de um regulador de tensão é melhorar o desempenho das fontes de alimentação, fornecendo um valor preestabelecido de tensão na saída, independentemente das variações na corrente de carga ou no nível da tensão ca, como mostrado na Fig.3.
Fig.3	Efeito de um circuito regulador sobre a tensão de saída de uma fonte retificada.
	É importante considerar que não existe um sistema regulador de tensão perfeito. As variações na tensão de entrada sempre provocam pequenas alterações na tensão de saída. Os sistemas reguladores devem funcionar de tal forma que a variação na tensão de saída seja a menor possível.
Circuitos reguladores
	Os circuitos reguladores são classificados em dois grupos, segundo a posição do elemento regulador em relação à carga. Um dos grupos é denominado de regulador paralelo, pois o elemento regulador é disposto em paralelo com a carga, conforme ilustrado na Fig.4. Um exemplo típico de um circuito pertencente a esse grupo é o regulador a diodo Zener.
	
O segundo grupo, denominado de regulador série, corresponde a uma configuração em que o elemento regulador fica disposto em série com a carga, como mostrado na Fig.5. 
	Como ilustrado na Fig.5, na regulação série, variações na tensão de entrada são transferidas para o elemento regulador, com a tensão de saída permanecendo praticamente constante.
REGULAÇÃO SÉRIE COM TRANSISTOR
	Os reguladores de tensão do tipo série com transistor são largamente empregados na alimentação de circuitos eletrônicos por apresentarem uma boa capacidade de regulação. Na Fig.6 está apresentado o modelo mais simples de um regulador série a transistor.
Fig.6 Modelo simples de um regulador série a transistor.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
	O princípio de funcionamento do regulador série a transistor pode ser compreendido analisando-se as tensões nos vários elementos do circuito mostrado na Fig.7. Como pode ser aí observado, a associação diodo Zener/resistor, conectada à tensão de entrada, permite a obtenção de uma tensão constante VZ independentemente das variações da tensão de entrada. 
	A tensão constante do diodo Zener, mostrado na Fig.7, é aplicada à base do transistor, ou seja, a tensão de base do transistor é dada por
	A tensão na carga é relacionada à tensão base-emissor e a tensão na base pela relação
	Como mostrado na Fig.7, a diferença entre a tensão de entrada e a tensão na carga fica aplicada entre os terminais do coletor e do emissor, ou equivalentemente,
Fig.7 Tensões no regulador série a transistor.
ESTABILIZAÇÃO
			
	No regulador série a transistor, a tensão aplicada à base do transistor corresponde à tensão Zener e pode ser considerada constante. Nessas condições, a tensão na carga também se mantém constante com um valor de 0,2 a 0,7 V inferior à tensão Zener.
	Como ilustrado na Fig.8 as variações na tensão de entrada são assimiladas pelo transistor através de modificações na tensão coletor-emissor. Como pode ser aí observado, a tensão de entrada é sempre superior à tensão de saída. Essa condição é necessária pois garante que a tensão coletor-emissor do transistor possa variar sem alterar a tensão de saída do circuito. Em geral, a tensão de entrada é aproximadamente 50% superior à tensão regulada na saída.
Fig.8	Exemplo ilustrando as modificações nas tensões no regulador decorrentes de variações na tensão de entrada.
REGULAÇÃO
	A observação do comportamento das correntes do circuito permite analisar a forma como o regulador reage às variações na corrente de carga.
	As correntes do circuito regulador estão mostradas na Fig.9, onde se considera que a corrente de carga esteja inicialmente em um valor IS. Considera-se que a corrente de coletor seja igual à corrente de carga, devido à aproximação
Fig.9 Correntes no regulador série a transistor.
	Como se pode observar na Fig.9, a corrente de base necessária para que o transistor forneça a corrente de carga é obtida da combinação resistor/diodo Zener. Qualquer modificação no valor da carga altera a corrente de coletor o que produz uma variação na corrente de base na mesma proporção.
IS (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IC (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IC/(=IB (
IS (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IC (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IC/(=IB (
	Fixando-se o valor da tensão de entrada Vent, a corrente no resistor R da Fig.9
permanece fixa, devido ao valor constante da tensão VZ. Da Fig.9 tem-se que
e as variações em IB e IZ ocorrem em sentidos opostos de forma a manter IR no seu valor constante.
IB (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IZ (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IS=cte.
IB (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IZ (
SYMBOL 222 \f "Symbol"
IS=cte.
	Dessa forma, cabe ao diodo Zener liberar mais ou menos corrente para a base do transistor de forma a mantera corrente de carga constante. 
	Verifica-se que no regulador série, a condição fundamental para manter a tensão de saída constante é o efeito regulador do diodo Zener. A tensão sobre o diodo deve manter-se no valor VZ independentemente de variações na carga ou na tensão de entrada. 
DIODO COMPENSADOR
	A tensão de saída no regulador série pode ser obtida da Eq.(2), que está reproduzida a seguir:
	A Eq.(2) mostra que a tensão de saída é sempre inferior à tensão Zener por uma quantidade igual à tensão base-emissor. Para compensar esse decréscimo na tensão de saída, é prática comum adicionar um diodo compensador, diretamente polarizado, em série com o diodo Zener, como mostrado na Fig.10.
Fig.10 Regulador série com diodo compensador.
	Com a adição do diodo, a tensão aplicada à base do transistor torna-se
onde VD é a queda de tensão no diodo diretamente polarizado. A tensão de saída nessa nova configuração torna-se
	Sendo o diodo constituído do mesmo semicondutor utilizado na fabricação do transistor, tem-se que
e a Eq.(7) fornece
�
Dissipação de potência no regulador série
	Os reguladores de tensão sempre apresentam elementos que dissipam potência em forma de calor. No circuito regulador série a transistor, o elemento responsável pela maior porção da potência dissipada é o transistor.
	Dado que a potência dissipada no transistor pode ser obtida da expressão aproximada
com base na Eq.(3) e na aproximação IC SYMBOL 187 \f "Symbol" IS, tem-se que
	Os transistores utilizados nos circuitos reguladores são em geral transistores de potência, dimensionados de forma que a dissipação real não provoque o disparo térmico que produz a danificação do componente.
ENCAPSULAMENTO
	Os componentes semicondutores de um circuito dissipam potência nas junções em forma de calor. Em muitos casos a quantidade de calor gerada nas junções chega a provocar uma elevação de temperatura considerável no encapsulamento externo do componente. Para evitar a destruição do dispositivo, é muito importante que as temperaturas nas junções não atinjam a temperatura de fusão do material semicondutor.
	A temperatura das junções de um dispositivo semicondutor depende fundamentalmente da relação:
Quantidade de calor gerada nas junções
SYMBOL 219 \f "Symbol"
Quantidade de calor transferida para o ambiente externo
	Quando a quantidade de calor gerada nas junções é totalmente transferida, através do encapsulamento, para o ambiente externo, a temperatura das junções mantém-se estável.
Calor gerado
=
Calor transferido
SYMBOL 222 \f "Symbol"
Temperatura estável
	Se, no entanto, a quantidade de calor transferida para o ambiente externo for menor que aquela gerada nas junções, existirá uma elevação de temperatura no material semicondutor.
Calor gerado
>
Calor transferido
SYMBOL 222 \f "Symbol"
Elevação de temperatura
	Devido aos efeitos provenientes da geração de calor, o encapsulamento do dispositivo tem grande importância, pois é através dele que o calor é escoado das junções para o ambiente externo.
	O material utilizado na fabricação do encapsulamento sempre apresenta uma certa oposição ao fluxo de calor. Um parâmetro utilizado para avaliar esse grau de oposição é o que se denomina de resistência térmica do material.
 Resistência térmica é um parâmetro que mede o grau de oposição ao fluxo de calor através do material.
	A resistência térmica é representada pelo parâmetro Rth e medida em unidades de SYMBOL 176 \f "Symbol"C/W (grau centígrado por Watt).
	Quanto menor for a resistência térmica do encapsulamento entre a junção geradora de calor e o meio ambiente, mais facilmente o calor será dissipado. Por essa razão, os transistores de potência são fabricados com encapsulamento metálico, de baixa resistência térmica.
	A Tabela 1 lista alguns tipos comuns de encapsulamentos, juntamente com suas características físicas e térmicas. O parâmetro Rthja na terceira coluna da Tabela 1 representa a resistência térmica entre a junção e o ambiente externo.
Tabela 1 Tipos comuns de encapsulamentos e suas características.
Encapsulamento
Características
Rthja (SYMBOL 176 \f "Symbol"C/W)
Transistor
TOSYMBOL 45 \f "Symbol"1
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Corpo cilíndrico metálico
290
AC188
TOSYMBOL 45 \f "Symbol"126
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Corpo plástico
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Uma face metálica
110
BD135
TO-3
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Corpo metálico ligado eletricamente ao coletor
6
2N3055
DISSIPADORES DE CALOR
	Os dissipadores de calor são dispositivos metálicos acoplados aos dispositivos semicondutores com o objetivo de facilitar a transferência de calor do interior do componente para o ambiente externo. A Fig.11 mostra o aspecto de um dissipador e a forma de acoplamento a um transistor de corpo cilíndrico.
O dissipador reduz a resistência térmica entre a junção e o meio-ambiente, possibilitando assim operar o dispositivo semicondutor a uma potência mais elevada que aquela limitada pelo encapsulamento do componente.
	
	O transistor AC188, por exemplo, apresenta uma resistência térmica de 290 SYMBOL 176 \f "Symbol"C/W entre a junção e o ambiente externo. Utilizando-se um dissipador acoplado ao corpo do transistor, conforme mostrado na Fig.12, a área de transferência de calor entre o componente e o ambiente externo aumenta. Esse aumento de área provoca uma redução substancial da resistência térmica entre a junção e o ambiente externo.
	Usando essa técnica, a resistência térmica do transistor AC188 pode diminuir para um valor de até 70 SYMBOL 176 \f "Symbol"C/W. Essa redução permite que o transistor possa operar a um nível de potência até quatro vezes superior àquele permitido na ausência do dissipador, sem que isso provoque uma maior elevação de temperatura do componente.
MONTAGEM DO TRANSISTOR NO DISSIPADOR
	Existe no comércio uma grande variedade de formas e dimensões de dissipadores, com uma ampla gama de valores de resistência térmica. A Fig.13 mostra um tipo comum de dissipador, para fixação do transistor TO-3.
Fig.13 Dissipador para fixação do transistor TO-3.
	No caso de transistores com coletor em contato elétrico com o encapsulamento, as duas situações seguintes devem ser consideradas:
Encapsulamento em contato elétrico com o dissipador
	Essa situação pode ocorrer se o dissipador estiver isolado eletricamente do circuito e o transistor pode ser afixado diretamente ao dissipador, na forma mostrada na Fig.14.
Fig.14	Forma de fixação de um transistor a um dissipador que esteja isolado eletricamente do circuito.
Encapsulamento isolado eletricamente do dissipador
	Quando for necessário isolar eletricamente o transistor do dissipador, utiliza-se um isolante elétrico delgado de mica que, dependendo de quão fina seja a espessura utilizada, pode apresentar uma resistência térmica tipicamente baixa entre 2 e 4 SYMBOL 176 \f "Symbol"C/W. Devem-se também utilizar arruelas de passagem isolantes para evitar o contato elétrico dos parafusos de fixação ao dissipador. A Fig.15 mostra em detalhes a forma de fixação do transistor TO-3 ao dissipador para obtenção de isolação elétrica entre os dois componentes.
Fig.15 Forma de fixação de um transistor a um dissipador com uma lâmina intermediária de mica para evitar o contato elétrico entre os componentes.
OTIMIZAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
	Algumas providências podem ser tomadas para otimizar-se a transferência de calor entre a junção semicondutora e o ambiente externo, tais como:
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Estabelecer a maior área de contato possível entre o componente semicondutor e o dissipador.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Afixar firmemente o componente ao dissipador, através de parafusos.
SYMBOL 183 \f "Symbol"\s 10 \h	Untar as regiões de contato entre componente e mica e entre mica e dissipador utilizando graxa de silicone, eliminando possíveis bolhas de ar que aumentam a resistência térmica.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Usar dissipadores enegrecidos.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Aumentar a área do dissipador.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Posicionar o dissipador de forma que na montagem final as aletas fiquem orientadas na posição vertical.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Utilizar refrigeração forçada, através de ventiladores, ou circulação de água ou óleo no interior do dissipador.
SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 10 \h	Afastar os dissipadores e os dispositivos semicondutores de elementos que também sofram aquecimento, tais como transformadores e resistores de potência.
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Apêndice
QUESTIONÁRIO
Qual a principal finalidade de um regulador em uma fonte de alimentação?
Que componente pode ser empregado para se fazer um regulador paralelo?
No regulador série transistorizado como se comporta a corrente no diodo Zener perante variações na corrente de carga?
Qual a função do diodo compensador em um regulador série transistorizado?
Qual a finalidade dos dissipadores de calor acoplados a componentes semicondutores?
Cite cinco providências que devem ser tomadas para otimizar a transferência de calor entre um componente semicondutor e o ambiente externo.
BIBLIOGRAFIA
CIPELLI, Antônio Marco Vicari & SANDRINI, Valdir João. Teoria do desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos . 7.ed. São Paulo, Érica, 1983. 580p.
FIGINI, Gianfranco. Eletrônica Industrial: Circuitos e aplicações. São Paulo, Hemus, 1982.
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Fig.11	Dissipador para acoplamento a um transistor de corpo cilíndrico.
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Fig.12	Transistor de corpo cilíndrico com dissipador de calor.
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Fig.4 Modelo de um regulador paralelo.
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Fig.5 Modelo de um regulador série.
_965225855/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226564/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226805/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965227515/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965229821/õ���Acadêmica
_969093124/õ���Desenhos
_965227483/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226722/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226767/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226686/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226331/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226367/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965226128/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965225747/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_965225796/ole-[02, 01, 01, 01, 00, 0A, 01, 12]
_946101887/õ���(Todas as categorias)